專利名稱：一種plc梯形圖硬件處理器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于工業(yè)控制專用硬件處理器設計領域，涉及一種PLC梯形圖硬件處理器。
背景技術：
PLC作為通用工業(yè)控制計算機，因其簡單易懂、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長等一系列優(yōu)點，在工業(yè)領域應用廣泛。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。目前PLC產(chǎn)品主要來自歐姆龍、施耐德、NEC等外國公司，國內(nèi)還沒有高水平的PLC 設備廠商。通過對國外先進的PLC產(chǎn)品進行分析，發(fā)現(xiàn)制約我國PLC產(chǎn)品發(fā)展的因素一方面是成本上缺乏競爭力，另一方面是缺乏核心技術，很難設計出高性能的PLC，形成系列化的產(chǎn)品型譜。PLC產(chǎn)品一般包括背板、CPU模塊和擴展模塊。CPU模塊是PLC的核心模塊，負責完成PLC的程序控制、數(shù)據(jù)處理、通信等任務。在CPU模塊中，梯形圖語言的編碼、解析、執(zhí)行是最核心的技術，其處理的性能和可靠性直接關系到整個PLC的性能與可靠性。根據(jù)梯形圖語言的解析方式不同，一般分為軟解析和硬解析兩種。軟解析就是利用C語言等高級語言模擬梯形圖的工作過程，在通用處理器上完成梯形圖的解析過程。硬解析是設計專用的梯形圖解析硬件處理器。硬解析方式實現(xiàn)了與通用處理器的并行處理， 其處理速率一般比軟解析方式高一個數(shù)量級以上。同時，硬解析方式容易實現(xiàn)冗余、現(xiàn)場保護等可靠性技術。因此，硬解析方式一般用在高端PLC產(chǎn)品，軟解析方式一般用在低端PLC 產(chǎn)品?，F(xiàn)階段國內(nèi)還沒有查到采用硬解析方式實現(xiàn)梯形圖解析的產(chǎn)品，本發(fā)明在技術上具有先進性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種PLC梯形圖硬件處理器。采用本發(fā)明實現(xiàn)了對梯形圖指令的解析。本發(fā)明的技術解決方案是一種PLC梯形圖硬件處理器，用于對PLC梯形圖進行硬解析，包括指令譯碼單元、 行指引控制器、列元件寄存器、多路選擇器、元件輸入狀態(tài)控制器、元件結(jié)合狀態(tài)控制器、行之間或關系寄存器、與邏輯運算單元、列輸出中間狀態(tài)控制器、或邏輯運算單元；指令譯碼單元，對輸入的梯形圖頁面數(shù)據(jù)中的指令位進行譯碼，當獲得頁開始標志時，產(chǎn)生頁開始標志指令，并輸出到多路選擇器；當獲得列開始標志時，產(chǎn)生列開始標志指令，并輸出到行指引控制器；行之間或關系寄存器，按列接收輸入的梯形圖頁面數(shù)據(jù)，并存儲梯形圖頁面中每列數(shù)據(jù)間的或關系；
列元件寄存器，接收輸入的梯形圖頁面數(shù)據(jù)，并按列存儲位于每列梯形圖數(shù)據(jù)中元件的有無狀態(tài)；多路選擇器，判斷接收到的頁開始標志指令，若頁開始標志指令有效，則多路選擇器將梯形圖頁面數(shù)據(jù)第一列的數(shù)據(jù)輸出到元件輸入狀態(tài)控制器；若頁開始標志指令無效， 則多路選擇器將來自于或邏輯運算單元的數(shù)據(jù)輸出到元件輸入狀態(tài)控制器；行指引控制器，根據(jù)接收到的列開始標志指令，按行讀取存儲于列元件寄存器中每行元件的有無狀態(tài)；并將讀取的元件有無狀態(tài)輸出到元件結(jié)合狀態(tài)控制器；元件輸入狀態(tài)控制器和元件結(jié)合狀態(tài)控制器分別將接收到的數(shù)據(jù)輸出到與邏輯運算單元進行與操作后，將獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到列輸出中間狀態(tài)控制器；列輸出中間狀態(tài)控制器，將輸入的數(shù)據(jù)進行存儲，將存儲完的一列數(shù)據(jù)輸出到或邏輯運算單元；，或邏輯運算單元，對接收到的一列數(shù)據(jù)按照行之間或關系寄存器中對應列上的行之間或關系對結(jié)果數(shù)據(jù)進行或運算后，將獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到多路選擇器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點1.提高了梯形圖處理的絕對速度梯形圖指令完全采用硬件方式進行解析、執(zhí)行和處理，跟用軟件方式相比，通過采用多路并行處理、流水線設計等硬件電路設計方法，硬件方式下梯形圖處理速度比軟件解析方式至少提高了一個數(shù)量級以上。2.提高了 PLC整個CPU模塊處理速度PLC的CPU模塊包括通用處理器和梯形圖硬件處理器兩個處理單元。通用處理器一般用來完成PLC的通信控制、軟件調(diào)度、中斷處理等功能，PLC梯形圖處理器用來完成梯形圖的解析、執(zhí)行和處理。與軟件梯形圖解析方式下由通用CPU進行梯形圖解析相比，梯形圖硬件處理器通過與通用處理器并行處理，能夠提高整個PLC系統(tǒng)的處理速率。3.提高了 PLC的可靠性和安全性軟件解析方式下，梯形圖解析軟件和CPU模塊的軟件為一個整體，其運行的可靠性嚴重依賴于整個CPU模塊軟件的設計。當CPU模塊軟件運行出現(xiàn)時，PLC輸出很可能會進入不確定狀態(tài)，影響使用的安全性和可靠性。通過采用梯形圖硬件處理器方式，能夠?qū)崿F(xiàn)梯形圖處理與CPU的狀態(tài)隔離，即使CPU軟件運行異常，梯形圖處理器也可以維持正確的狀態(tài)。


圖1為LadderPU梯形圖基本接點和線圈示意圖；圖2為LadderPU梯形圖執(zhí)行順序示意圖；圖3為本發(fā)明結(jié)構圖。
具體實施例方式本發(fā)明通過對國際上常用的梯形圖語言代碼進行分析，完成LadderPU程序的編碼設計；優(yōu)化梯形圖處理方式，完成了 LadderPU架構設計和梯形圖程序解析路徑設計；針對梯形圖程序不同類型接點(常開接點、常閉接點)和線圈(常開線圈、常閉線圈、置位線圈、復位線圈、上升沿線圈、下降沿線圈)，完成處理電路設計；針對梯形圖功能模塊需要， 完成功能模塊處理電路設計。另外，根據(jù)工業(yè)領域高可靠控制需求，開展了現(xiàn)場保護電路設計，保證在系統(tǒng)在出現(xiàn)災難性故障后，可以快速恢復。1.梯形圖指令編碼根據(jù)梯形圖基本組成和命令，本發(fā)明的梯形圖編碼指令如下表1所示。表中數(shù)據(jù)的高位(D13 D15)用來表示編碼梯形圖的指令類型，例如“000”為常開接點的指令編碼， “001”為常閉接點的指令編碼等。另外，利用D12 D15為“1111”時，表示頁開始標志的指令碼，即用來表示一頁梯形圖指令的開始。利用D13 D15為“101”時，表示列開始標志的指令碼，即用來表示梯形圖程序中一列指令的開始。LadderPU梯形圖指令編碼
權利要求
1. 一種PLC梯形圖硬件處理器，用于對PLC梯形圖進行硬解析，其特征在于包括指令譯碼單元、行指引控制器、列元件寄存器、多路選擇器、元件輸入狀態(tài)控制器、元件結(jié)合狀態(tài)控制器、行之間或關系寄存器、與邏輯運算單元、列輸出中間狀態(tài)控制器、或邏輯運算單元；指令譯碼單元，對輸入的梯形圖頁面數(shù)據(jù)中的指令位進行譯碼，當獲得頁開始標志時， 產(chǎn)生頁開始標志指令，并輸出到多路選擇器；當獲得列開始標志時，產(chǎn)生列開始標志指令， 并輸出到行指引控制器；行之間或關系寄存器，按列接收輸入的梯形圖頁面數(shù)據(jù)，并存儲梯形圖頁面中每列數(shù)據(jù)間的或關系；列元件寄存器，接收輸入的梯形圖頁面數(shù)據(jù)，并按列存儲位于每列梯形圖數(shù)據(jù)中元件的有無狀態(tài)；多路選擇器，判斷接收到的頁開始標志指令，若頁開始標志指令有效，則多路選擇器將梯形圖頁面數(shù)據(jù)第一列的數(shù)據(jù)輸出到元件輸入狀態(tài)控制器；若頁開始標志指令無效，則多路選擇器將來自于或邏輯運算單元的數(shù)據(jù)輸出到元件輸入狀態(tài)控制器；行指引控制器，根據(jù)接收到的列開始標志指令，按行讀取存儲于列元件寄存器中每行元件的有無狀態(tài)；并將讀取的元件有無狀態(tài)輸出到元件結(jié)合狀態(tài)控制器；元件輸入狀態(tài)控制器和元件結(jié)合狀態(tài)控制器分別將接收到的數(shù)據(jù)輸出到與邏輯運算單元進行與操作后，將獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到列輸出中間狀態(tài)控制器；列輸出中間狀態(tài)控制器，將輸入的數(shù)據(jù)進行存儲，將存儲完的一列數(shù)據(jù)輸出到或邏輯運算單元；或邏輯運算單元，對接收到的一列數(shù)據(jù)按照行之間或關系寄存器中對應列上的行之間或關系對結(jié)果數(shù)據(jù)進行或運算后，將獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到多路選擇器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種PLC梯形圖硬件處理器，用于對PLC梯形圖進行硬解析，包括指令譯碼單元、行指引控制器、列元件寄存器、多路選擇器、元件輸入狀態(tài)控制器、元件結(jié)合狀態(tài)控制器、行之間或關系寄存器、與邏輯運算單元、列輸出中間狀態(tài)控制器、或邏輯運算單元。采用本發(fā)明實現(xiàn)了對梯形圖指令的解析。
文檔編號G06F9/38GK102298516SQ20111028018
公開日2011年12月28日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權日2011年9月20日
發(fā)明者劉亮亮, 吳松齡, 蔣彭龍, 謝坡岸, 趙雄波, 魏守嶸 申請人:北京航天自動控制研究所